第八章電性材料

第八章電性材料佟運(yùn)祥辦公室：11號(hào)樓1012

電話：82518173Email:Tongyx@1第八章電性材料導(dǎo)體：電阻率10-5

～10-4Ω·cm；半導(dǎo)體：電阻率10-4

～1010Ω·cm；（10-3

～107Ω·cm）絕緣體：電阻率1010

～1014Ω·cm2第八章電性材料一、半導(dǎo)體材料1、半導(dǎo)體的發(fā)展與用途（1）半導(dǎo)體材料的發(fā)展鍺單晶最早用于制造二極管和三極管，但是鍺器件熱穩(wěn)定性不如硅。1941多晶硅制成檢波器;1948拉出單晶硅。1951用四氯化硅還原法制備了多晶硅（第一代半導(dǎo)體開始應(yīng)用）。1954年和1958年相繼研制成第一只硅單晶管和第一塊集成電路，硅和電子器件相互促進(jìn)，被稱為“新石器時(shí)代”，硅產(chǎn)量和用量標(biāo)志一個(gè)國家的電子工業(yè)水平。二十世紀(jì)九十年代，第二代半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）嶄露頭角。3第八章電性材料第三代半導(dǎo)體是以GaN材料P型摻雜的突破為起點(diǎn)，1992年GaN產(chǎn)業(yè)應(yīng)用----美ShujiNakamura教授制造第一支GaN發(fā)光二極管。

1999年日本Nichia公司制造第一支GaN藍(lán)光激光器。在光顯示、光儲(chǔ)存、激光打印、光照明以及醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料被譽(yù)為IT產(chǎn)業(yè)新的發(fā)動(dòng)機(jī)。預(yù)測(cè)銷售2003（$10億）至2009（$50億）4第八章電性材料（2）半導(dǎo)體的用途制作晶體管、集成電路、電力電子器件的重要基礎(chǔ)材料，支撐著通信、計(jì)算機(jī)、家電、網(wǎng)絡(luò)、電子信息等產(chǎn)業(yè)。2002年我國銷售收入1.4億人民幣，全球第三。5第八章電性材料2、半導(dǎo)體材料分類①元素半導(dǎo)體金屬-非金屬Ge、Si、Se、Te等；Ge

（2s22p2）sp3雜化。②化合物半導(dǎo)體ⅢA--ⅤA

AlP、AlS、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb等③多元化合物半導(dǎo)體AgGeSe2、AgGeTe2、Cu2CdSnTe4、InXGa1-XN，AlXGa1-XN④固溶體半導(dǎo)體Ge-SiGaAs-GaPHg1-xCdxTe⑤半導(dǎo)體陶瓷⑥非晶態(tài)半導(dǎo)體⑦納米半導(dǎo)體6第八章電性材料（1）硅和鍺①理化性質(zhì)鍺、本征電導(dǎo)率50Ω·cm；硅的約為2.3×105Ω·cm常溫下穩(wěn)定，高溫與氧、氯反應(yīng)，自然界沒有游離的硅和鍺。鍺不溶于鹽酸、稀硫酸，但是溶于熱硫酸、濃硝酸、HF-HNH3混合酸中。硅不溶于鹽酸、硫酸、硝酸、但是溶于HF-HNH3混合酸中。所以半導(dǎo)體工業(yè)常用HF-HNH3混酸做腐蝕液。硅化物具有良好的導(dǎo)電性和耐高溫、抗遷移等特性。硅和鍺都具有金剛石結(jié)構(gòu)，禁帶寬度：鍺0.66eV,硅

1.12eV。7

第八章電性材料②硅和鍺晶體的制備

鍺----直拉法（熔硅、鍺中引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制溫度場(chǎng)，緩慢旋轉(zhuǎn)提拉）硅----直拉法、懸浮區(qū)熔法（區(qū)域提純與晶體生長結(jié)合）③硅的主要用途

大規(guī)模集成電路、晶體二極管、電阻、電容、紅外焦距透鏡（夜視）。

8第八章電性材料（2）砷化鎵①性質(zhì)：禁帶寬度比硅、鍺都大，有負(fù)阻效應(yīng)。②制備：石英密封管中裝有砷源，通過控制砷源溫度，來控制系統(tǒng)中的砷壓；用液體覆蓋熔體，并加壓至壓力大到砷化鎵的離解壓的氣氛中合成拉晶（液體封閉直拉法）③用途：發(fā)光二極管顯示器GaAs、InP及其合金一起被稱為第二代半導(dǎo)體材料GaAs是目前最重要的光電子材料，也是硅材料之后最重要的微電子材料之一。9第八章電性材料（3）蹄鎘汞材料（三元）Hg1-xCdxTe隨x增大，禁帶寬度從HgTe的負(fù)值到CdTe的正值，（調(diào)節(jié)能隙寬度）（4）氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料近年來，GaN及相關(guān)的二元InN、三元AlGaN、四元AlGaInN合金已成為重要的第三代半導(dǎo)體材料，通過調(diào)整合金組分，可以調(diào)節(jié)帶隙能，1.9eV(InN)---6.2eV(AlN),具有直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu),是短波半導(dǎo)體激光器的理想材料。

用于增大光信息儲(chǔ)存密度、深海通信、材料加工、激光打印、大氣污染監(jiān)控等領(lǐng)域。適用于高密度DVD的應(yīng)用。GaN基LD（激光二極管）實(shí)現(xiàn)了從脈沖到連續(xù)波工作的升級(jí)，使壽命從秒（級(jí)）上升到數(shù)千小時(shí)。10第八章電性材料（5）半導(dǎo)體陶瓷①PTC熱敏半導(dǎo)體陶瓷：（PTCpositivetemperaturecoefficient）BaTiO3為基的(Ba,Sr,Pb)TiO3,BaTiO3；典型鐵電材料,常溫電阻率大于1012Ω·cm，在純凈的BaTiO3引入微量稀土元素，常溫下電阻率可降至10-2～104Ω·cm，若溫度超過居里溫度，則電阻在幾十度的范圍內(nèi)增大3～10個(gè)數(shù)量級(jí)，既產(chǎn)生PTC效應(yīng)。11第八章電性材料實(shí)驗(yàn)表明，PTC效應(yīng)主要是在降溫過程中形成的，高溫?zé)傻臉悠分苯哟慊鹬潦覝兀怀蔖TC效應(yīng)，降溫速度越慢，PTC效應(yīng)越大。BaTiO3單晶半導(dǎo)體不呈現(xiàn)PTC效應(yīng)，而把BaTiO3單晶半導(dǎo)體粉碎后燒結(jié)成陶瓷，呈現(xiàn)很大的PTC效應(yīng)，因而證明PTC效應(yīng)來源于多晶半導(dǎo)體晶界。機(jī)理：BaTiO3在室溫下是鐵電體，存在自發(fā)極化，對(duì)晶界層勢(shì)壘起屏蔽作用。PTC材料的室溫電阻率主要有晶粒的電阻率所決定，為低阻的n型半導(dǎo)體。當(dāng)溫度達(dá)到居里溫度附近時(shí)，自發(fā)極化迅速減小，并在材料由鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂婓w時(shí)完全消失。晶界勢(shì)壘阻礙晶粒中電子的流通，呈高電阻特性。所以在居里溫度附近出現(xiàn)向高電阻突變的PTC效應(yīng)。PTC材料所具有的獨(dú)特電阻率隨溫度的變化關(guān)系，主要用于溫度自控，過電流或過電壓保護(hù)、彩電消磁、馬達(dá)啟動(dòng)等。

12第八章電性材料②NTC半導(dǎo)體陶瓷：（Mn、Fe、Co、Ni的氧化物按一定的比例混合，采用陶瓷工藝制備而成。負(fù)溫度系數(shù)－1%～－6%。NTC半導(dǎo)體陶瓷一般為尖精石結(jié)構(gòu)，通式為AB2O4，A二價(jià)正離子、B三價(jià)正離子。NTC熱敏半導(dǎo)體陶瓷材料通常以MnO為主，同時(shí)引入CoO、NiO、CuO、FeO等，使其在高溫下形成半反或全反尖晶石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料。常溫（MnO-CoO-O2、MnO-NiO-O2、MnO-FeO-O2、MnO-CuO-O2）高溫（Mn-Co-Ni-Al-Cr-O、Zr-Y-O、Al-Mg-FeO、Ni-Ti-O）應(yīng)用：電路溫度補(bǔ)償、控溫、測(cè)溫傳感器13第八章電性材料③CTR半導(dǎo)體陶瓷（criticaltemperatureresister）負(fù)溫度系數(shù)，利用材料從半導(dǎo)體相轉(zhuǎn)變到金屬狀態(tài)時(shí)電阻急劇變化而制成，故稱為急劇溫度熱敏電阻。以V2O5為基礎(chǔ)，常摻雜MgO、CaO、SrO、BaO、Ba2o、P2O5、SiO2、GeO2、NiO、WO3、MoO3等，這種熱敏電阻-電流特性與溫度有一定的依賴關(guān)系，在急變溫度附近，電壓峰值有很大的變化，因而具有溫度開關(guān)特性（火災(zāi)報(bào)警、溫度報(bào)警），可靠性高、反應(yīng)時(shí)間快。壓敏半導(dǎo)體陶瓷壓敏半導(dǎo)體陶瓷是指材料所具有的電阻值，在一定電流范圍內(nèi)具有非線性可變特性的陶瓷，這類元器件也稱為為非線性電阻器。它在某一臨界電壓下電阻非常高，幾乎無電流通過，當(dāng)超過臨界電壓時(shí)，電阻急劇變化，隨著電壓的少許增加，電流會(huì)迅速增大。

14第八章電性材料二、鐵電、壓電、熱釋電和介電材料

電介質(zhì)材料的電性：包括壓電性、鐵電性和熱釋電性等。這些性質(zhì)與材料中的極化密切相關(guān)。自發(fā)極化：是一種極性矢量，造成晶胞中正負(fù)電荷中心沿某特殊方向發(fā)生位移。一般電介質(zhì)只有在電場(chǎng)作用下才出現(xiàn)極化。鐵電體中存在自發(fā)極化，而且自發(fā)極化可在電場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)向。15第八章電性材料鐵電陶瓷：一種電介質(zhì)材料，主要由鈦酸鹽、鋯酸鹽和錫酸鹽等構(gòu)成。具有鐵電性，其在電場(chǎng)中的行為與鐵磁性材料在磁場(chǎng)中的行為相似，故---居里溫度：一定的鐵磁材料存在一特定的臨界溫度，稱為居里溫度，在此溫度時(shí)它們的磁性發(fā)生突變，當(dāng)溫度在居里溫度點(diǎn)以上時(shí)，它們的磁化率（磁導(dǎo)率）和磁場(chǎng)強(qiáng)度H無關(guān)，這時(shí)鐵磁質(zhì)轉(zhuǎn)化為順磁質(zhì)，（例如，鐵的居里點(diǎn)是1040K，鎳的是631K，鈷的是1388K）16第八章電性材料1、鐵電材料鐵電體的特征是其電極化與外電場(chǎng)的關(guān)系表現(xiàn)為電滯回線。鐵電材料主要是指在某些溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，且其自發(fā)極化強(qiáng)度能因外電場(chǎng)的作用重新取向的材料。通常鐵電體具有熱釋電和壓電性。17第八章電性材料鐵電材料的應(yīng)用鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器：一般來說,對(duì)存儲(chǔ)器有五個(gè)方面的要求，即容量、速度、非易失性、功耗和價(jià)格。鐵電存儲(chǔ)器有可能成為同時(shí)滿足這五大要求的存儲(chǔ)器，這主要得益于鐵電材料的高介電常數(shù)及其特殊的自發(fā)極化現(xiàn)象。鐵電存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理是基于鐵電薄膜的剩余極化，即當(dāng)外加電場(chǎng)撤去后，鐵電薄膜仍然存在著剩余極化電荷。當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)，鐵電體在宏觀上表現(xiàn)為極化強(qiáng)度與外電場(chǎng)之間產(chǎn)生非線性響應(yīng)，得到電滯回線；反向電場(chǎng)超過矯頑力時(shí)發(fā)生極化反轉(zhuǎn).IC卡的核心是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，由于鐵電存儲(chǔ)器有高速度寫入和編程能力、低功耗、耐久性好等特點(diǎn)，是IC卡最理想的存儲(chǔ)器。18第八章電性材料常見的鐵電材料：①BT：鈦酸鋇BaTiO3，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)居里溫度120℃。②PT：鈦酸鉛PbTiO3，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)居里溫度492℃。③PZT；鋯鈦酸鉛Pb(ZrXTi1-X)O3，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，居里溫度386℃。④BST：鈦酸鍶鋇(BaxSi1-X)TiO3，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，常溫沒有鐵電性介電常數(shù)高。⑤SBT：鉭酸鍶鉍SrBi2Ta2O9，層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的抗疲勞特性。⑥BTO：鈦酸鉍Ba4Ti3O12，層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，具有較好的抗疲勞特性⑦其他：PbZrO3鋯酸鉛及其摻La材料等。

鐵電材料有著優(yōu)良的鐵電、壓電、熱釋電、電光、聲光及非線性光學(xué)特性，它集中力、熱、電、光等性能與一體。目前，人們已成功地研制出力敏傳感器、熱釋電探測(cè)器、鐵電存儲(chǔ)器、光波導(dǎo)器等。19第八章電性材料2、壓電材料壓電效應(yīng)：機(jī)械力激起晶體表面荷電的效應(yīng)稱為（正）壓電效應(yīng)。1880年P(guān)居里和J居里兄弟發(fā)現(xiàn)：對(duì)石英晶體在某些特定方向上加壓時(shí)，在力方向的垂直平面上出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。機(jī)理:壓電材料（晶體）不受外力作用時(shí)，正負(fù)電荷重心重合，整個(gè)晶體的總電矩為零，晶體表面的電荷也為零。壓電材料受力后（壓縮力、伸縮力），引起晶體表面帶電且兩種力引起的電荷恰相反。

20第八章電性材料晶體不受力時(shí)、正負(fù)電荷中心重合21第八章電性材料晶體受力引起晶體表面帶電22第八章電性材料23第八章電性材料逆壓電效應(yīng)：對(duì)晶體施加電壓時(shí)，晶體發(fā)生形變的現(xiàn)象。（具有對(duì)稱中心晶體不具有壓電性）陶瓷是由許多晶粒構(gòu)成的多晶體（無規(guī)排列、各向同性），不顯壓電效應(yīng)。但是在電場(chǎng)作用后鐵電陶瓷具有壓電性，構(gòu)成鐵電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)不具有對(duì)稱中心，存在極化軸，正負(fù)電荷中心不重合。有自發(fā)極化PS存在。這一極化強(qiáng)度可以隨電場(chǎng)轉(zhuǎn)向，在外電場(chǎng)除去后，還能保持一定的剩余極化PS。壓電傳感器：主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，主要應(yīng)用在加速度、壓力等測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

24第八章電性材料壓電效應(yīng)在智能材料中的應(yīng)用：智能材料可以適時(shí)感知與響應(yīng)外界環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)自測(cè)、自診斷、自修復(fù)、自適應(yīng)等諸多功能。鐵電和壓電材料在智能陶瓷材料中居于中心地位。

25第八章電性材料飛行器在使用過程中出現(xiàn)疲勞裂紋往往造成災(zāi)難性結(jié)果，把壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器放在已知應(yīng)變集中的位置上，驅(qū)動(dòng)器可以抵抗來自附近的應(yīng)變，從而把疲勞壽命延長一個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)證明，壓電陶瓷誘發(fā)應(yīng)變驅(qū)動(dòng)器能夠主動(dòng)減少來自橫向裂紋、鄰近的孔和缺口等機(jī)械損傷或工程造成的應(yīng)變集中，延長疲勞壽命。利用正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)和電致伸縮等綜合效應(yīng)，成功地研制了高級(jí)轎車智能減震裝置，具有識(shí)別路面并能自我調(diào)節(jié)的功能。利用壓電陶瓷將外力轉(zhuǎn)換成電能的特性，可以制造出壓電點(diǎn)火器、移動(dòng)光源、炮彈引爆裝置。26第八章電性材料壓電超聲馬達(dá)壓電超聲馬達(dá)是利用壓電陶瓷材料極大超聲實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的一種新型電機(jī)。與傳統(tǒng)電磁馬達(dá)和靜電馬達(dá)相比，它具有低速下大力矩輸出，無電磁干擾、靜音操作、保持力矩大、響應(yīng)速度快結(jié)構(gòu)、簡單等優(yōu)點(diǎn)。

其基本原理是：當(dāng)定子加電之后，由于逆壓電效應(yīng)，定子表面就會(huì)產(chǎn)生超聲振動(dòng)，由于定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力作用，轉(zhuǎn)子也會(huì)跟著運(yùn)動(dòng)起來，定子彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子之間有切點(diǎn)接觸，定、轉(zhuǎn)子間的摩擦力驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

超聲馬達(dá)已經(jīng)成功地應(yīng)用于電子顯微鏡和隧道電子掃描系統(tǒng)、機(jī)器人微電極領(lǐng)域、人造心臟驅(qū)動(dòng)器、磁懸浮列車等領(lǐng)域。27第八章電性材料3、熱釋電材料同壓電效應(yīng)類似，某些晶體受溫度變化影響時(shí)，由于自發(fā)極化的相應(yīng)變化而在晶體的一定方向上產(chǎn)生表面電荷，這一現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。具有熱釋電效應(yīng)的材料稱為熱釋電材料。

28熱釋電效應(yīng)的應(yīng)用熱釋電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)已有兩三個(gè)世紀(jì)，但直到1938年才首先用作紅外探測(cè)器。60年代以來，由于激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，熱釋電晶體材料已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器。熱釋電晶體除作為探測(cè)器外，還可以用于非接觸測(cè)溫、火車熱軸探測(cè)、森林防火和無損探傷等方面。第八章電性材料29熱釋電材料用作熱電紅外探測(cè)器晶體的主要性能參數(shù)是熱釋電系數(shù)。此外，還要求晶體對(duì)紅外線輻射具有吸收大、熱容量小、介電系數(shù)小、介電損耗小、比重小、易加工成薄片等性能。目前熱釋電晶體材料主要有硫酸三甘肽（TGS）、鈮酸鍶鋇（SBN）、鉭酸鋰（LiTaO3）、鈦酸鉛（PbTiO）等。第八章電性材料304、熱電效應(yīng)（三種）（1）塞貝克效應(yīng)（溫差引起電壓）兩種不同材料A和B相連，兩個(gè)接觸點(diǎn)處在不同的溫度T1和T2，斷開點(diǎn)的溫度為T0，那么斷開點(diǎn)的兩端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓ΔV的現(xiàn)象。第八章電性材料31（1）塞貝克效應(yīng)第八章電性材料32（2）帕爾帖效應(yīng)（通電引起吸放熱）